JPH05288619A - 静電容量式触覚センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 柔軟性及び高感度性を有し、配線容量のみな
らず浮遊容量の影響を抑え得る静電容量式触覚センサを
提供する。 【構成】 ベースフィルム１に設けた第１の電極４と表
皮フィルム２に設けた第２の電極５との間の静電容量の
変化を検出するもので、第２の電極５に対する物体の接
触状態に応じて第２の電極５が変位し、これに伴う空隙
１３の変化に応じた静電容量の変化に基づいて物体の接
触状態を検出する。第１の電極４に対しては側壁１１に
設けられた切欠１２を介して配線する。また、第２の電
極５は第１の電極４の全てを包含するように配設し、且
つ接地するもので、静電遮蔽機能を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は静電容量式触覚センサに
関し、特に静電遮蔽機能を有する静電容量式触覚センサ
に係る。

【０００２】

【従来の技術】人体を含む生体のように、ロボットハン
ドやマニピュレータを様々な外界の状況に応じて的確に
動作させるためには、外界の必要な情報を検出する感覚
器とその情報から行うべき動作を判断する知能が必要と
なる。外界の情報を取得する感覚は五感に当たる視覚、
聴覚、触覚等に大別される。人間の手足の器用な動作は
一般に、皮膚に分布する触覚による感覚機能から多大な
恩恵を得て達成されており、ロボット動作を生体機能に
近づけるためには触覚の機械化が不可欠である。従来、
触覚には接触覚、圧覚、硬さ覚及び滑り覚の感覚がある
とされており、これらは分布的な圧覚情報及び変化とし
てとらえることができるが、分布圧力情報を得る分布型
圧覚センサ、即ち触覚センサの開発が急務となってい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、生体の触覚
機能を機械化する観点からすると、触覚センサとしては
次のような特性を備えていることが望まれる。まず、幾
何学的特性として高密度配置であること、次に電気的特
性として高感度、広ダイナミックレンジであること、そ
して機械的特性として柔軟性、高強度であることが要請
される。

【０００４】触覚センサの柔軟性はこれを曲面に装着す
る場合、また反対に接触物が曲率や傾きを有している場
合に、不可欠な仕様条件である。前者の場合は、触覚セ
ンサの取り付け基板へのなじみを得るために柔軟性が必
要である。また後者の場合には、柔軟なセンサ及び弾性
床を用いれば、堅固なセンサと比べて大量に分布圧力情
報が得られ、接触状態を知ることが可能となる。

【０００５】一方、半導体を用いることにより幾何学的
特性及び電気的特性に優れた触覚センサを製造すること
ができるが、機械的特性、特に柔軟性に配慮されたもの
は見当たらない。これに対し、ゴムやプラスチックを利
用すれば柔軟性を確保することができるが、幾何学的特
性及び電気的特性について問題が残る。

【０００６】また、高感度性については、近年人間の指
におけるずれの感覚（ずれ覚）の存在が注目されてい
る。これは滑り覚の中でも接触状態の微小な変化を知る
感覚機能のことであり、対象物をつまみ上げる、あるい
は物の表面をなぞるといった指の基本的動作に重要な役
割を果たす動的感覚である。従って、これを機械化する
にはセンサの分解能が高いほど有効となる。

【０００７】而して、高知能ロボットへの装着を考慮し
た柔軟性及び高感度性を有する触覚センサの開発が望ま
れる。このような触覚センサとして、静電容量の変化を
利用する容量式センサを採用すれば、更に構造が簡単
で、検出回路を介して周波数出力が得られるといった利
点もある。

【０００８】然し乍ら、従来の容量式センサにおける配
線容量の影響が大きいという問題に加え、浮遊容量の影
響が大きくなる。配線容量はセンサと検出回路や測定器
との接続配線の相互間に生ずる容量で、浮遊容量は接続
線及びセンサと人体を含む他の物体との間に生ずるもの
であるが、これらの影響を極力抑えることが肝要であ
る。

【０００９】そこで、本発明は柔軟性及び高感度性を有
し、配線容量のみならず浮遊容量の影響を抑え得る静電
容量式触覚センサを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、物体の接触に応じて空隙が変化する一対
の電極を備え、該一対の電極間の静電容量の変化に応じ
て接触状態を検出する静電容量式触覚センサにおいて、
弾性高分子材料の基板と、該基板から延出し少くとも一
つの所定区画を囲繞する少くとも一つの側壁と、前記所
定区画の前記基板上に配設する少くとも一つの第１の電
極と、該少くとも一つの第１の電極の全体を包含し前記
少くとも一つの側壁の端面に対向して配設する板状の第
２の電極とを備え、前記少くとも一つの側壁に切欠を形
成し、該切欠を介して前記第１の電極に対し所定の配線
を行なうと共に、前記第２の電極を接地することとした
ものである。

【００１１】尚、上記の静電容量式触覚センサにおいて
は、以下に例示するように種々の態様を構成することが
できる。 （イ）複数個の前記側壁を前記基板上に所定の間隙を以
って所定の配列で形成し、相互に隣接する側壁間に側溝
を形成する。 （ロ）前記第２の電極と前記側壁との間に誘電体層を形
成する。 （ハ）前記第２の電極を弾性高分子材料の第２の基板に
接合する。 （ニ）前記弾性高分子材料の基板をポリイミドフィルム
とし、前記第１及び第２の電極を、夫々前記ポリイミド
フィルムに蒸着するアルミニウムとする。 （ホ）前記第２の基板の前記第２の電極を接合した面に
対して反対側の面に、所定形状の圧力感応部を設ける。 （ヘ）前記第２の電極上に前記誘電体層を付着形成し、
前記誘電体層と前記側壁とを接着剤によって接合する。 （ト）前記第１及び第２の電極に電気的に接続し、前記
第１及び第２の電極間の静電容量の変化を周波数の変化
に変換する容量−周波数変換手段を設ける。 （チ）前記容量−周波数変換手段を、前記第１及び第２
の電極に電気的に接続するＣＭＯＳシュミットトリガイ
ンバータを含むマルチバイブレータで構成する。

【００１２】

【作用】上記のように構成された静電容量式触覚センサ
においては、第２の電極側が表面側となるように配置さ
れ、この第２の電極に対する物体の接触状態に応じて第
１の電極との間の空隙が変化する。即ち、第２の電極に
押圧力が加えられると、第２の電極が変位して第１及び
第２の電極間の空隙が小となり、押圧力が除かれると空
隙が大となる。この空隙の変化に応じて第１及び第２の
電極間の静電容量が変化し、物体の接触状態が検出され
る。この場合において、第１の電極に対しては側壁に設
けられた切欠を介して配線されているので、配線容量の
影響を抑えることができる。第２の電極は、少くとも一
つの第１の電極の全体を包含するように配設されてお
り、しかも接地されているので静電遮蔽機能を有する。
而して、第１及び第２の電極間の静電容量に対する外部
からの浮遊容量の影響が抑えられる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。図１及び図２は本実施例の触覚センサの構造を示
すもので、ポリイミドフィルムを基材とし、上部電極５
が形成される表皮フィルム２、及び下部電極３が形成さ
れるベースフィルム１の２枚のフィルムを有し、両フィ
ルム間の平面上に図３に示すように３×３配置で形成さ
れた９個のセンサセル１０によって構成されている。

【００１４】センサセル１０は、例えば外形が２．６×
２．６×０．２０５ｍｍに形成され、内部に３５μｍの
空隙１３（エアギャップ）が形成されている。即ち、図
３に示すようにポリイミドのベースフィルム１から所定
区画を囲繞するように側壁１１が延出し略方形の容器状
に形成され、この側壁１１によって囲繞される部分に空
隙１３が形成されている。側壁１１によって囲繞された
部分の底面１ａには、アルミニウムが蒸着され下部電極
３が形成されており、これに接続される下部配線４がベ
ースフィルム１上にアルミニウム蒸着によって形成され
ている。尚、側壁１１は、方形ではなく、円形等他の形
状の容器状に形成することとしてもよい。

【００１５】相互に隣接するセンサセル１０間には側溝
１４が形成されている。この側溝１４は、曲げモーメン
トがかかるときセンサセル１０自体を曲がりにくくする
と共に、配線容量ができるだけ少なくなるように配線す
ることを目的として形成され、従って、溝深さは、より
深い方が望ましい。そして、側壁１１には各辺の中点に
下部配線４を取り出すための切欠１２が設けられてい
る。センサセル１０の上部は９個の全てを覆うように上
部電極５が配設されている。即ち、平板状のポリイミド
の表皮フィルム２の両面にアルミニウムが蒸着され上部
電極５が形成されており、一方の面の上部電極５が誘電
体６を介して接着剤７によって側壁１１の端面に接合さ
れている。

【００１６】誘電体６は、下部電極３と上部電極５が短
絡するのを防止するために設けられるもので、本実施例
においては、適当な粘度の高分子溶液で、誘電率が高
く、損失が少ないという条件を満たす、高周波ワニスと
呼ばれるフェノール樹脂溶液によって形成されている。

【００１７】尚、接着剤７としては、固化すると高分子
となりプラスチックの接着に適し、接着力が強く、電気
絶縁性が良く、種々の粘度のものが入手可能である等の
理由により、シアノアクリレート接着剤７（瞬間接着
剤）が採用されている。

【００１８】下部配線４は各センサセル１０につき１本
の専用配線として外部に取り出される。これに対し、表
皮フィルム２の両面に形成された上部電極５に対して電
気的に接続される上部配線（図示せず）は、接地され共
通電位とされる。従って、全体の配線数はセンサセル１
０毎に配線した場合に比べ略１／２となる。

【００１９】このように、上部電極５がセンサセル１０
の全てを覆うように大面積状に形成されているので、外
部への不要な電気力線の発生を阻止し、浮遊容量の影響
を大幅に抑えることができる。更に、上部電極５を含む
配線を接地することにより、後述する検出回路を含めた
センサ系の耐ノイズ性が向上する。

【００２０】更に、表皮フィルム２上には、図１及び図
２に示すように、圧力感応部材８が接着剤９によって各
センサセル１０毎に接合されている。この圧力感応部材
８は、接触によってセンサセル１０に伝達される圧力が
センサセル１０に一様に分布するように設けられるもの
で、人体でいう指紋の突起に相当する。尚、本実施例で
はこの圧力感応部材８は表皮フィルム２上に接合するよ
うに構成されているが、表皮フィルム２と一体に形成す
ることとしてもよい。

【００２１】次に、上記の構成になる触覚センサの製造
方法を説明する。大別すると以下の３工程から成り、更
に複数の工程に細分される。即ち、（ａ）ベースフィル
ム１の製作工程、（ｂ）表皮フィルム２の製作工程及び
（ｃ）組立工程の３工程であり、各工程について以下に
順次説明する。

【００２２】ベースフィルム１の製作工程においては、
まずポリイミドフィルムの微細加工を行う。即ち、ポリ
イミドフィルム表面に直接微細加工を施すことにより、
図３に示すように側壁１１を略方形の容器状に形成し、
９個のセンサセル１０を形成する。この微細加工は、ポ
リイミドに対しアルカリエッチングが可能であることに
鑑み、まず大まかな凸形状をエンボス加工し、次に細部
の凹形状を精密にエッチング加工することによって行
う。

【００２３】次に、ベースフィルム１に対し下部電極３
及び下部配線４を真空蒸着する。尚、本実施例では、パ
ターン形成が容易なマスク板を用いる方法を採用してい
る。即ち、例えば２ｍｍ厚のステンレス板をワイヤカッ
ト放電加工機で加工することによりマスク板Ｓ１を形成
する。このときの寸法精度は１０μｍ程度であり、最小
線幅は２５０μｍに制限される。次に、蒸着工程に進
み、ベースフィルム１を別のステンレス板Ｓ２に仮付け
し、マスク板Ｓ１に載せ位置合わせを行う。この状態
で、図６に構成の概要を示した蒸着装置にセットし、ア
ルミニウムＡＬをフィラメントＦＲ上で加熱しベースフ
ィルム１にアルミニウムＡＬを蒸着する。

【００２４】一方、表皮フィルム２の製作工程において
は、まず表皮フィルム２の加工を行い、次に表皮フィル
ム２に対し上部電極５及び上部配線（図示せず）を真空
蒸着する。前述のように上部電極５は表皮フィルム２下
面に一様に形成されるものであるので、下部電極３及び
下部配線４のようにパターン形成する必要はないが、表
皮フィルム２下面のみの電極形成では配線を外部に取り
出すことが容易でない。このため、図７に示すように表
皮フィルム２の上下両面にアルミニウムＡＬを蒸着する
と共に、左右面にもアルミニウムＡＬを蒸着し、上下面
を導通し得るようにする。これにより上面から配線を取
り出すことができる。具体的には、表皮フィルム２を幅
２０ｍｍのテープ状に裁断し、これを図８に実線で示す
ように配置し、その上下面に二点鎖線で示すように配置
して左右面に夫々マスクを用いることなくアルミニウム
ＡＬの蒸着を行う。

【００２５】続いて、表皮フィルム２に対し誘電体６の
膜を形成する。センサセル１０の構造上、誘電体６はそ
の膜の品質がセンサセル１０の静電容量のばらつきに大
きな影響を及ぼすため、一定厚の均一な膜を形成するこ
とが必要となる。このため、図９に示す形成装置によ
り、上部電極５蒸着後の表皮フィルム２上に樹脂溶液を
スピンコートするものである。図９において、電源を含
む駆動装置ＤＳによって直流モータＤＭが駆動される
と、プーリＰＬを介してターンテーブルＴＢが回転駆動
される。このターンテーブルＴＢの回転速度はエンコー
ダＥＣを介して検出され周波数カウンタＦＣによって計
測される。

【００２６】而して、上部電極５を蒸着した幅２０ｍｍ
のテープ状表皮フィルム２を長さ約５０ｍｍに切断し、
スピンナＳＰのターンテーブルＴＢ上に仮付けする。こ
の上に粘度２００ｃｐのフェノール系樹脂溶液を多めに
スポイトで滴下させ、表皮フィルム２の表面全体に行き
渡らせる。この状態でターンテーブルＴＢをまず１００
０ｒｐｍで５秒間回転駆動し、続いて２０００ｒｐｍで
１０秒間回転駆動する。ただし、これらの時間は加速に
要する時間を含む。スピンコートした表皮フィルム２は
１００℃で約１時間加熱し乾燥させる。而して、溶液の
粘度に合わせた回転条件により厚さ１０μｍの一様な膜
を形成することができる。

【００２７】そして、ベースフィルム１の側壁１１の上
部に接着剤７を塗布する。この接着剤７の膜厚はセンサ
セル１０のエアギャップ１３の値に加算されるため、均
一に接着剤７を塗布し一定膜厚とする必要がある。本実
施例で使用するシアノアクリレート系液体接着剤は、直
接微細な塗布を行うために細管に通すこととすると、細
管内で硬化してしまう。このため本実施例では一旦、一
様な接着剤の液状の膜を形成し、必要な部分にのみこれ
を転写することにより接着剤７の塗布を行うこととして
いる。

【００２８】接着剤の液状膜の形成には、前述の誘電体
６と同様に図９の形成装置を用いる。即ち、ターンテー
ブルＴＢ上にポリプロピレンフィルムを敷き、その上に
接着剤を滴下し回転させると、一様な接着剤の液状の膜
を形成することができる。回転条件は前述と同様に、ま
ず１０００ｒｐｍで５秒間回転駆動し、続いて２０００
ｒｐｍで１０秒間回転駆動する。尚、ポリプロピレンは
シアノアクリレート系接着剤が接着しにくい材料の一つ
で、この上に所定の膜厚以上の接着剤膜を形成すると硬
化時間が長くなる。しかし、通常のポリプロピレン上で
は接着剤の表面張力が小さく、回転後ターンテーブルＴ
Ｂ上に接着剤が残らないので、ポリプロピレンの表面に
コロナ放電処理を施したものを用いることとしている。

【００２９】このように形成された接着剤の液状膜に、
下部電極４が蒸着されたベースフィルム１を反転して押
し付け、ベースフィルム１の側壁１１上部にのみ接着剤
７を転写・塗布する。この方法によれば、接着剤の粘度
を１００ｃｐとすると、約１０μｍの接着剤７の膜を転
写できることが実験によって確認されている。

【００３０】この後、組立工程に進み、まずベースフィ
ルム１と表皮フィルム２の接着を行う。即ち、誘電体６
が形成された表皮フィルム２を、誘電体６面を上にして
ガラス板上に仮付けし、この上に、接着剤７が塗布され
たベースフィルム１を接着面を下にして載せ、圧着す
る。尚、接着剤７は数秒で硬化するが、完全に硬化させ
るため室温で２４時間放置する必要がある。また、この
際、表皮フィルム２は両端からわずかに引っ張り応力を
加えた状態に置くことが望ましく、これにより接着後の
センサセル１０部に生ずる表皮フィルム２の無荷重時の
たわみが軽減される。接着剤７硬化後、仮付け用のガラ
ス板を取り外し、両フィルムの不要な部分を切断すると
図１０に示すようになる。最後に、厚さ７５μｍのポリ
イミドフィルムを２ｍｍ×２ｍｍに加工した圧力感応部
材８を接着剤９によって表皮フィルム２上に接着する
と、図１に示す触覚センサが形成される。

【００３１】上記の構成になるセンサセル１０の出力
は、数ｐＦという微小な静電容量であるので、配線容量
及び浮遊容量の影響を考慮しなければならない。これら
は検出対象としての静電容量の測定誤差につながるの
で、その対策として配線を短く、また不要な電気力線を
生じない測定系にする必要がある。微小容量の測定方法
としては、直列共振現象を利用する共振法、変成器ブリ
ッジあるいは電子化ブリッジによる交流ブリッジ法、容
量値の変化をパルスの繰り返し周期の変化に変換する充
放電法、及び被測定コンデンサを発振器に組み込み容量
変化を周波数の変化に変換する発振法がある。

【００３２】本実施例においては、高知能ロボットの感
覚器に供するものであるから、検出回路としては、小型
で、集積化しやすく、低コストであること等が要求され
る。従って、図４に示すように、本実施例の検出回路２
０としては充放電法によるマルチバイブレータが採用さ
れ、これによれば、ディジタル化が容易であり、パルス
周期が容量値に比例するので良好な感度が得られ、しか
も構成部品が全て半導体によって構成される等、感覚器
に好適である。

【００３３】上記のように、本実施例の検出回路２０は
マルチバイブレータから成るが、センサセル１０の容量
値が数ｐＦと微小であるため回路は低損失とする必要が
ある。このため能動素子としてＣＭＯＳ素子が用いられ
ている。このＣＭＯＳ素子を用いたマルチバイブレータ
としては、ＣＭＯＳインバータによるもの、ＣＭＯＳシ
ュミットトリガインバータによるもの、及びＣＭＯＳオ
ペアンプによるものが挙げられる。本実施例のセンサセ
ル１０は検出回路２０におけるコンデンサＣを構成し、
上部電極５が共通に接地配線されるものであるから、検
出回路２０におけるコンデンサＣの片側が接地されてい
る。この検出回路２０については、更に小型化や専用チ
ップ化が可能であることが望ましい。

【００３４】而して、本実施例の検出回路２０において
は図４に示すようにＣＭＯＳシュミットトリガインバー
タ２１が用いられている。この回路の発振周期Ｔは理論
的に下記（１）式のように求められる。 Ｔ＝２（ｌｏｇＶ_p −ｌｏｇＶ_n ）ＣＲ …（１） 但し、Ｖ_p はシュミットトリガの高レベルしきい値電
圧、Ｖ_n は低レベルしきい値電圧を意味し、電源電圧を
Ｖ_ccとしたとき下記（２）式を充足するものとする。 Ｖ_p ＋Ｖ_n ＝Ｖ_cc …（２） 尚、シュミットトリガインバータ１段のバッファ２２を
介して出力信号が取り出され伝送される。このバッファ
２２は、カウンタ（図示せず）等の測定回路を次段に接
続したとき発振周期に影響が生ずることを防止するため
に設けられるものである。

【００３５】次に、上記のようにＣＭＯＳシュミットト
リガインバータ２１によるマルチバイブレータが構成さ
れた検出回路２０の実験結果を説明する。尚、ＣＭＯＳ
シュミットトリガインバータ２１として、標準ＣＭＯＳ
ロジック（東芝製ＴＣ４５８４ＢＰ、以下標準タイプと
いう）及びＨＣタイプＣＭＯＳロジック（東芝製ＴＣ７
４ＨＣ１４Ｐ、以下ＨＣタイプという）の二種を用いた
ものについて特性測定を行った。

【００３６】まず、標準タイプについては、供給電圧を
ＤＣ１０Ｖ、抵抗Ｒを１ＭΩ（カーボンフィルム抵
抗）、静電容量Ｃを１、２、３、５、７及び１０ｐＦ
（セラミックキャパシタ）とし、周波数カウンタにより
静電容量Ｃに対するパルス周期Ｔの変化を測定した。ま
た、ＨＣタイプについては、供給電圧をＤＣ５Ｖとし、
その他は上記と同様の条件で測定を行った。

【００３７】而して、静電容量Ｃに対するパルス周期Ｔ
の変化について、標準タイプは図１１に示すような特性
が得られ、ＨＣタイプは図１２に示すような特性が得ら
れた。この実験結果から明らかなように、標準タイプを
用いた方が良好な特性が得られる。

【００３８】ところで、検出回路２０は前述のように配
線を最短にして、配線容量及び浮遊容量を最小にするこ
とが必要である。これに加えて、これらの値を均一に
し、９個のセンサセル１０について同じ発振特性を示す
ものでなければならない。従って、ＣＭＯＳ−ＩＣ及び
抵抗には表面実装用部品を用いることが望ましい。これ
らによれば、実装密度の向上により基板上の配線パター
ンを短くでき、部品のパッケージ内での配線が短く、接
合するための半田量が少ない等の利点を有する。そこ
で、本実施例においては、ＣＭＯＳとしては標準ＣＭＯ
Ｓロジックのフラットパッケージ品（東芝製ＴＣ４５８
４ＢＦ）を、抵抗にはチップ抵抗を選定した。

【００３９】上記の表面実装部品を用いて製造した検出
回路２０に関し、前述と同一条件（電源電圧は１６Ｖと
した）で検出回路２０の発振特性を測定した。図１３に
示すように、この検出回路２０ではほとんど発振特性の
ばらつきは生じていない。而して、配線容量、浮遊容
量、インダクタンスを小さくすることができ、加えてば
らつきも少なくすることができる。

【００４０】上記の構成になる触覚センサのセンサセル
１０の荷重に対する静電容量特性の測定を行った。ま
ず、図１４に示す実験装置により荷重を加え、そのとき
のセンサセル１０の静電容量を測定した。図１４におい
て、ＩＰは絶縁板、ＸＹはＸＹステージ、ＬＣＲはＬＣ
Ｒメータである。この場合において、後述のヒステリシ
スの影響を排除するために極力接着を避け、センサ固定
は四隅でテープにより行い、圧力感応部材８を設けず、
それと同形状のアルミ棒の負荷増幅器ＬＡにより荷重
し、荷重は増加方向にのみ変化させることとした。荷重
については、バランス用重りＢＬを一端に接続し、プー
リＰＬを介して支持したひもＴＨの他端に種々の分銅Ｗ
Ｔを装着することとし、２、５、１０、２０及び５０ｇ
の分銅ＷＴにより変化させた。但し、治具間およびプー
リＰＬの静止摩擦の値が無視できないため、摩擦力の荷
重に相当する値（７ｇ）を分銅ＷＴに加算し荷重値とし
た。

【００４１】そして、摩擦力を一定方向にするためバラ
ンス用重りＢＬを操作し、荷重を一度余分に加えた後、
滑らかに平衡状態に変化させた。特性を求めるにあたっ
ては、荷重に伴う変位量が安定した時点で静電容量の測
定を行った。温度は室温（１５℃）であった。

【００４２】而して、９個のセンサセル１０について実
験を行い、８個の測定データ（残り１個は特性不良）に
基づき図１５に示すように、荷重に対するセンサセル１
０の静電容量の特性が得られた。

【００４３】次に、センサセル１０について図１６の実
験装置により所定の温度における静電容量、誘電正接を
測定した。即ち、恒温槽ＴＯを加熱装置ＨＴによって加
熱し、温度と容量値が安定（およそ１時間必要）したと
きに測定を行った。測定周波数は１ＭＨｚである。

【００４４】上記の実験結果によれば、センサセル１０
の静電容量の温度変化を図１７に、誘電正接の温度変化
を図１８に示すように、温度上昇に伴い誘電率および誘
電正接が増加する。誘電正接は誘電体６の単体より値お
よび増加率がともに小さく、静電容量の増加率も小さく
なっており、室温付近でほとんど容量の変化は無い。こ
れは、センサセル１０は損失の少ないエアギャップ１３
を有しているためであると考えられる。

【００４５】更に、本実施例のヒステリシスの評価を行
うため、図１９に示す実験装置によりセンサセル１０に
変形を与え、センサセル１０の応力を測定した。図１９
において，ＬＥはリニアエンコーダ、ＣＴは引張圧縮試
験機、ＣＥはロードセル、ＬＣはリニアカウンタ、ＦＭ
は荷重計、ＦＣは周波数カウンタを示し、その他は前述
と同様である。尚、センサセル１０の応力値はセンサセ
ル１０に与えた荷重値に等しい。また、複数のセンサセ
ル１０から成るセンサセル群１００に検出回路２０を接
続し、検出回路２０からのセンサ出力も測定した。

【００４６】まず、センサセル１０の応力緩和現象を調
べるため、センサセル１０に一定の変形を与え、時間経
過に伴うセンサセル１０の応力変化を調べた。センサセ
ル１０は瞬間接着剤７を用い下面の接着により固定し、
変形は圧力感応部８と同形状をもつアルミ棒の負荷増幅
器ＬＡにより圧縮することにより行うこととした。測定
試料は圧力感応部８有りのものと圧力感応部８無しのも
のの２種類を用意し、初期応力が０．５Ｎ、１Ｎ、１．
５Ｎとなる点の３段階の変形を加えることにした。そし
て、変形を与えた時刻から１０分間の応力を測定するこ
ととした。尚、室温は２３℃であった。

【００４７】次に、センサ特性のヒステリシス評価とし
て細かいステップで増加方向にのみセンサセル１０の変
形を与え、変形を与えた時刻における応力及び出力と１
００秒後の応力及び出力をそれぞれ測定した。同様に減
少方向にのみ変形を与え、変形を与えた時刻における応
力及び出力と１００秒後の応力及び出力をそれぞれ測定
した。測定試料、センサの固定、及び変形（アルミ棒に
よる圧縮）については前述と同様である。

【００４８】応力緩和特性についての実験結果は図２０
に示すとおりで、縦軸は各時刻における初期応力値に対
する応力値の百分率を表している。同図において圧力感
応部無しの特性が上方側で、圧力感応部有りの特性が下
方側となっている。

【００４９】また、センサ特性のヒステリシスの実験結
果については、圧力感応部有りの試料のセンサ特性を図
２１乃至図２３に、圧力感応部無しの試料のセンサ特性
を図２４乃至図２６に夫々示す。

【００５０】而して、上記実験結果（図２０）から時間
経過による応力緩和現象が確認され、応力緩和は応力の
減少が初期応力値の数パーセントで飽和する指数関数的
現象であることが分かる。また、センサセル１０に圧力
感応部を取り付けたものは取り付けないものより応力緩
和の程度が大きいことも分かる。

【００５１】次に、センサの変形に対する出力特性は実
験結果（図２３、図２６）からほとんどヒステリシス差
をもたないことが確認された。即ち、実施例の触覚セン
サは荷重に伴うフィルムの変形を静電容量の変化に変換
する静電容量式センサであるため、図２３に示すように
原理的にセンサの変形に対する出力特性にヒステリシス
は生じない。

【００５２】一方、センサセル１０の応力−変形特性は
実験結果（図２１、図２４）からヒステリシスを伴い、
また応力に対するセンサの出力特性（図２２、図２５）
についてもヒステリシスが認められた。この実験結果に
よると、変形開始点と変形終了点は時間経過を経て一致
する（図２１では原点）ことが分かる。従ってセンサセ
ル１０のヒステリシスの要因は、塑性変形とは考えられ
ず、応力緩和現象であると考えられる。

【００５３】上記の実験結果から、センサを、荷重では
なく、センサの変形を測定する用途に用いることとすれ
ば、ヒステリシスの問題を回避することができる。特
に、図２３から、変形量が６０〜８０μｍの範囲におい
てはセンサ感度が高いことが分かるので、この範囲を利
用して多点の微小変位を計測すると有効である。

【００５４】

【発明の効果】本発明は上述のように構成されているの
で以下の効果を奏する。即ち、本発明の静電容量式触覚
センサによれば、第２の電極に対する物体の接触状態に
応じて第２の電極が変位し、これに伴う第１及び第２の
電極間の空隙の変化に応じた静電容量の変化に基づいて
物体の接触状態が検出されるように構成されているの
で、簡単な構造で、良好な検出感度を確保することがで
きる。

【００５５】特に、第１の電極に対しては側壁に設けら
れた切欠を介して配線されているので、配線容量の影響
を抑えることができる。しかも、第２の電極は少くとも
一つの第１の電極の全体を包含するように配設され、且
つ接地されているので、静電遮蔽機能を有し、外部から
の浮遊容量の影響を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る触覚センサの縦断面図
である。

【図２】本発明の一実施例に係る触覚センサの平面図で
ある。

【図３】本発明の一実施例におけるベースフィルムの斜
視図である。

【図４】本発明の一実施例における検出回路の回路図で
ある。

【図５】本発明の一実施例におけるベースフィルム側の
構成を示す縦断面図である。

【図６】本発明の一実施例におけるベースフィルムへの
下部電極を蒸着する状態を示す縦断面図である。

【図７】本発明の一実施例における表皮フィルム側の構
成を示す縦断面図である。

【図８】本発明の一実施例における表皮フィルムへの上
部電極を蒸着する状態を示す縦断面図である。

【図９】本発明の一実施例における誘電体膜を形成する
ための形成装置の構成図である。

【図１０】本発明の一実施例におけるベースフィルムと
表皮フィルムとを接合した状態を示す縦断面図である。

【図１１】標準ＣＭＯＳロジックを用いた検出回路の容
量−周期特性を示すグラフである。

【図１２】ＨＣタイプＣＭＯＳロジックを用いた検出回
路の容量−周期特性を示すグラフである。

【図１３】表面実装部品を用いて製造した本発明の一実
施例に係る検出回路の発振特性を示すグラフである。

【図１４】センサセルの荷重試験を行うための実験装置
の構成図である。

【図１５】本発明の一実施例におけるセンサセルの荷重
に対する静電容量特性を示すグラフである。

【図１６】センサセルの温度特性を測定するための実験
装置の構成図である。

【図１７】本発明の一実施例におけるセンサセルの静電
容量の温度変化を示すグラフである。

【図１８】本発明の一実施例におけるセンサセルの誘電
正接の温度変化を示すグラフである。

【図１９】センサセルの圧縮変形試験を行うための実験
装置の構成図である。

【図２０】本発明の一実施例におけるセンサセルの応力
緩和特性を示すグラフである。

【図２１】圧力感応部有りのセンサの応力−変形特性を
示すグラフである。

【図２２】圧力感応部有りのセンサの発振周期−応力特
性を示すグラフである。

【図２３】圧力感応部有りのセンサの発振周期−変形特
性を示すグラフである。

【図２４】圧力感応部無しのセンサの応力−変形特性を
示すグラフである。

【図２５】圧力感応部無しのセンサの発振周期−応力特
性を示すグラフである。

【図２６】圧力感応部無しのセンサの発振周期−変形特
性を示すグラフである。

【符号の説明】

１ ベースフィルム １ａ 底面 ２ 表皮フィルム ３ 下部電極 ４ 下部配線 ５ 上部電極 ６ 誘電体 ７，９ 接着剤 ８ 圧力感応部材 １０ センサセル １１ 側壁 １２ 切欠 １３ エアギャップ（空隙） １４ 側溝 ２０ 検出回路 ２１ ＣＭＯＳシュミットトリガインバータ ２２ バッファ

フロントページの続き (72)発明者 今井 孝二 愛知県名古屋市天白区中平５丁目2003番地

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 物体の接触に応じて空隙が変化する一対
   の電極を備え、該一対の電極間の静電容量の変化に応じ
   て接触状態を検出する静電容量式触覚センサにおいて、
   弾性高分子材料の基板と、該基板から延出し少くとも一
   つの所定区画を囲繞する少くとも一つの側壁と、前記所
   定区画の前記基板上に配設する少くとも一つの第１の電
   極と、該少くとも一つの第１の電極の全体を包含し前記
   少くとも一つの側壁の端面に対向して配設する板状の第
   ２の電極とを備え、前記少くとも一つの側壁に切欠を形
   成し、該切欠を介して前記第１の電極に対し所定の配線
   を行なうと共に、前記第２の電極を接地したことを特徴
   とする静電容量式触覚センサ。